الحساسات فوق الصوتية Ultrasonic Sensor

أولاً:مبدأ عمل الحساسات فوق الصوتية:
تستخدم الحساسات التقاربية تطبيقات تحويل
الطاقة لإرسال واستقبال الإشارات الصوتية العالية التردد.عندما يقطع الهدف الموجة الصوتية سوف تنعكس إلى المفتاح و بالتالي مفعلة أوملغية لتفعيل الخرج.

القرص البيزوكهربائي:
يثبت قرص بيزوكهربائي من السراميك على سطح الحساس هذا القرص يستطيع أن يرسل ويستقبل نبضات عالية التردد,يطبق إشارة جهد عالي التردد على هذا القرص وهذا يجعل القرص يهتز بنفس التردد وهذا القرص بالتالي سيولد موجات صوتية بنفس التردد.
عندما تصطدم النبضات المرسلة بجسم عاكس للصوت سوف يتشكل صدا ناتجا عن هذا الاصطدام حيث يقيس الحساس المدة التي يستغرقها الصوت للإرتداد عن الهدف.
عندما يدخل جسم معين مدى الحساس فإن الخرج سوف يغير حالته وحين يغادر الجسم المدى المعير للحساس سيعود الخرج الى حالته الأصلية.

إن النبضات المرسلة هي في الحقيقة عبارة عن مجموعة من ثلاثين نبصة بمطال 200Kv والصدى يكون عادة بمجال الميكروفولت.

المنطقة العمياء: تتوضع المنطقة العمياء مباشرة أمام الحساس و تبعا" لنوع الحساس فإن هذه المنطقة تتراوح ما بينCm 80 ÷ 6.
إن توضع هدف في هذه المنطقة سيولد خرجا" غير مستقر.

تحديد المدى:
إن المدة الزمنية ما بين ارسال الاشارة و استقبالها تتناسب مباشرة مع المسافة بين الهدف و الحساس.
يتم ضبط مجال العمل وفقا لعرضه وتوضع الهدف في مجال عمل الحساس,إن الحد الأعلى يمكن تعديله في كل الحساسات بينما يكون تعديل الحد الأدنى متاحا" في بعض الأنواع فقط.
إن مرور هدف يزيد بعده عن الحد الأدنى لعمل الحساس لن يسبب في تغيير حالة الخرج وهذا يعرف بمبدأ تحييد الخلفية.
في بعض الحساسات يتشكل ما يسمى بمجال المنع (الحجب) يتوضع هذا المجال ما بين الحد الأدنى لمجال عمل الحساس و المنطقة العمياء.
إن تواجد هدف أو جسم في هذه المنطقة يمنع الحساس من التعرف أو التحسس بمرور الأجسام في مجال العمل.

نمط الإشعاع: إن نموذج الاشعاع لحساس الاشعة فوق الصوتية يتألف من مركبة(مخروط) أساسية و مركبات أخرى مجاورة.
إن زاوية المخروط الرئيسي تبلغ تقريبا" 5 درجات.

المناطق الحرة: يجب المحافظة على مناطق حرة أو خالية حول الحساس لعدم إعاقة إرسال المركبات الجانبية ,و سيبين المثال التالي المنطقة الحرة المطلوبة في حالات مختلفة:
1. حالة حساسات متوازية:
في المثال الأول يتم تثبيت حساسين بنفس مجال العمل بشكل متوازي و تكون الاهدف عمودية على شعاع الصوت , إن المسافة بين الحساسين تحدد تبعا" لمجال التحسس فعلى سبيل المثال إذا كان مجال العمل أو التحسس لكلا الحساسين يساوي 6Cm فيجب أن يكونا متباعدين بمقدار 15 Cm على الأقل.

2. التداخل المتبادل: تحدث هذه الحالة عندما يتوضع حساسين بشكل قريب من بعضهما البعض و يكون الهدف متضوعا" بحيث يعكس الاشارة الى الحساس الأخر ، في هذه الحالة فإن المسافة ما بين الحساسين (X) يتم تحديدها تجريبيا".

3. حالة الحساسات المتقابلة: في هذه الحالة يكون الحساسان متوضعين بشكل متقابل و يعملان بنفس مجال العمل ، في هذه الحالة يجب الحفاظ على مسافة أصغرية بين الحساسين حتى لا يحصل تداخل بين الحساسين.

التعامل مع أسطح غير منتظمة : إن تركيب حساس لتحسس جسم ذو سطح أملس كالجدران أو الألات ذات السطح الاملس بتطلب مساحة خالية أقل مما يتطلبه التحسس للأجسام ذات السطوح غير المنتطمة.

التو ضع الزاوي : إن زاوية التوضع الهدف عند دخول مجال العمل يجب أن تؤخذ بالحسبان ان الزاوية الاعظمية المسموحة لانحراف الجسم تقدر بــ 3º±

إذا كانت زاوية انحراف الجسم أكبر من 3º فسوف يعكس الجسم الموجة الصادرة عن الحساس بعيدا ً عنه وبالتالي لن يستقبل الحساس أي صدى .

السوائل والمواد الحبيبية الخشنة :

إن السوائل كالماء مثلا ً يجب أن لا تتجاوز زاوية انحرافها 3º أما بالنسبة للمواد خشنة الحبيبات مثلا ً فبإمكانها أن تأخذ زاوية انحراف تصل حتى 45º وذلك لأن الصوت سوف ينعكس ضمن مجال عريض عن هذه المواد .

تحييد العوائق الغير مرغوبة :

إن توضع جسم بشكل قريب من الحساس سيجعل عمل الحساس غير مستقراً كما ذكر سابقاً .
يمكن تحييد مثل هذه الأجسام عن طريق استخدام حاجز مشكل من مواد ممتصة للصوت كالصوف الصخري المزود بفتحة للسماح للأمواج الصوتية بالنفاذ .
إن هذه العملية سوف تحد من عرض الشعاع المرسل وبالتالي تمنع النبضات من الاصطدام بالأجسام المعيقة.

ثانياً:أنماط عمل الحساسات الفوق صوتية :

يمكن استخدام الحساسات الفوق صوتية لتعمل في انماط مختلفة ومنها :

نمط الانتشار ، نمط الانعكاس ، نمط النفاذ .

نمط الانتشار :

يعد هذا النمط النمط القياسي الذي تعمل به معظم الحساسات .
إن تحرك أي هدف في مجال عمل الحساس سوف يؤدي إلى تغير حالة الخرج للحساس وإن هذا النمط مشابه لحساسات التقارب.

نمط الانعكاس:

في هذا النمط يستخدم عاكس متوضع في مجال العمل المحدد للحساس ويتم ضبط مجال العمل للعاكس .
وسترتد النبضات على العاكس عائدة إلى الحساس وعندما يقطع هدف ما الإشعاع الصادر عن الحساس سيقوم بحجب الإشعاع عن الحساس وبالتالي سيفعل خرج الحساس ، يستخدم هذا النمط عادة في التطبيقات التي يكون فيها الهدف جسماً غير ممتص للصوت .

نمط النفاذ (( الاختراق )) :

إن منظومة التحسس في هذا النمط تتألف من مرسل الذي يقوم بإرسال الأمواج الصوتية ومستقبل لها وفي حالة قطع الإشعاع ما بين المرسل والمستقبل يغير الخرج حالته .

ثالثاً : التأثيرات المحيطية : إن سرعة الصوت تتأثر بالخواص الفيزيائية للهواء وهذا بدوره سيؤثر على عمل الحساس .

رابعاً : عائلات الحساسات فوق الصوتية من شركة :Simens

تضم عائلة الحساسات فوق الصوتية من شركة Simens حساسات من نوع:

Thru-Bean
Compact Range []M18,Compact Range 0,I,II and III]
Modular Range II

1-Thru-beam:

إن حساس من هذا النوع يتألف من مرسل ومستقبل حيث يقوم المرسل بإرسال حزمة ترددية ضيقة وعندما يتوضع جسم ما بين المرسل والمستقبل سيتم قطع الشعاع الذي بدوره يتسبب بتغير حالة الخرج .
جهد العمل لهذا الحساس أو الجهد الاسمي من 20 — 30 Volt ويبلغ تردد الفصل ـ الوصل للحساس 200 Hz عند العمل بمجال40 Cm بين المرسل والمستقبل .

Thru-beam Receiver: 2
يوجد نوعين للمستقبلات لهذه الحساسات ويستخدم كلا النوعين ترانزستور pnp حيث يوفر النوع الأول تماس NO والثاني تماس NC في خرجه .

إن حساسية وتردد الإرسال للحساس نفسه Thru-beam يتحدد عن طريق توصيل القطب X1 في المستقبل .

إن الحجم الأصغري للأجسام التي يمكن تحسسها هو يتبع للمسافة ما بين المرسل والمستقبل فإذا كانت المسافة ما بين المرسل والمستقبل أقل من 40 سم وكان الفراغ الأصغري المسموح به ما بين جسميk متتاليين مساوياً 3 سم قيمكن عندها التحسس للاجسام بعرض 2 سم أو أكثر .

أما إذا كانت المسافة ما بين الحساسين أقل فيمكن السماح بفاصل بين الأجسام ليصل إلى 1 مم .
عند العمل بمجال التحسس الأعظمي للحساس فيتحسس الحساس للأجسام بغرض أكبر من 4 سم .
Compact Range 0: 3 تتوفر الحساسات من هذا النوع بمرسل مدمج ضمن الحساس أو مرسل منفصل وتكون عادة مزودة بتماس مفتوح أو مغلق طبيعياً أو خرج تماثلي.
لهذه الحساسات شكل متوازي المستطيلات بأبعاد (88*65*30 mm) والجهد الاسمي لهذه الحساسات يتراوح (18—35 Volt Dc ) ويمكنها تشغيل أحمال تصل حتى (100 mAmp)

طبعاً لنوع الحساس فإن مجال العمل يتراوح :
من 6 إلى 30 سم في حالة مرسل منفصل
من 20 – 100 سم في حالة مرسل مدمج .
يتراوح تردد الوصل – الفصل 5 إلى 8 هرتز
تملك هذه الحساسات خاصية إخماد المجالات البعيدة حيث يتم ضبط مجال التحسس بواسطة مقاومة متغيرة .
إن مرور هدف ضمن مجال عمل الحساس وخارج المجال المضبوط لن يتحسس له الحساس .

4 -- Compact Range 1:

تتوفر هذه الحساسات إما بتماس NO أو بتماس NC وقد تكون متوفرة أيضاً بكلا الحساسين . لهذه الحساسات شكل اسطواني ( M 30 * 150 mm) ويتوفر منها عدة موديلات بعضها مزود بمرسل منفصل أو مدمج .
مجال عمل من 20—30 Volt DC ويمكنها تشغيل أحمال تصل إلى 200mAmp

وتبعاً لنوع الحساس فإن مجال التحسس يكون :

[6—30 CM ],[20 – 130 Cm] , [40 –300 Cm] ,[60 – 600 Cm]

ويتراوح تردد الوصل والفصل 1 – 8 Hz وهذا النوع من الحساسات يملك ميزة إخماد المجالات البعيدة والمجالات القريبة أيضاً أي أنه يمكن في هذا الحساس ضبط مجال العمل الأعلى والأدنى بواسطة مقاومتين متغيرتين وإن مرور الأهداف خارج المجال المضبوط لن تؤثر على عمل الحساس .

Son Prog : إن الحساسات التي تم ذكرها حتى الآن هي إما غير قابلة للضغط أو يمكن ضبطها يدوياً عن طريق مقاومات متغيرة .
إن Son Prog هو برنامج من شركة Semens يستخدم لضبط الحساسات من نوع:
Compact range II, Compact range III, Compact M 18 ,

يمكن باستخدام Son Prog ضبط الحساسات بشكل إفرادي لكي تعمل في تطبيق معين .
يتم توصيل دارة ملاءمة ما بين الحساس والمنفذ Rs232 بجهاز الكمبيوتر ويمكن باستخدام Son Prog ضبط البارامترات التالية :

بداية ونهاية مجال التحسس .
عقدة البطاء .
بداية ونهاية المجال التماثلي للخرج .
تحديد نهاية المنطقة العمياء
ضبط التماسات NO/NC .
تفعيل الضبط بواسطة المقاومات متغيرة أو إلغائه .

يمكن تخزين هذه الإعدادات أو استعادتها عند الحاجة فعلى سبيل المثال عند استبدال حساس يمكن بسهولة تطبيق الاعدادات القديمة على الحساس الجديد .

5 -- Compact range II تماثل هذه الحساسات في الشكل الحساسات من نوع Compact range I ويكون الفرق ما بين النوعين هو أن الحساسات من نوع Compact I قابلة للتعيير يدوياً وباستخدام برنام SonProg وتتوفر هذه الحساسات بتماس NC أوNO أوبكلا التماسين في الخرج .

وهي ذات شكل اسطواني (150 * M30 mm) وتتوفر بموديلات مختلفة بعضها ذو مرسل مدمج أو منفصل ويمكنها تشغيل أحمال حتى 300 mAmp وبجهد (20 – 30 Volt DC) يمكن مزامنة الحساسات من نوع Compact2 لمنع تداخل عند استخدام عدد من الحساسات بمسافات فاصلة صغيرة فيما بينها .
وحسب نوع الحساس يتراوح مجال التحسس :
[6—30Cm],[ 20—130Cm], [40 – 300 cm] ,[ 60—600 cm]
معدل فصل – وصل يتراوح 1 – 8 Hz وهي مزودة بخاصية الاخماد البعيد و القريب.

6 -- Compact Range II Analog Version: يتوفر نوع تماثلي للحساس Compact range 2 حيث يتم تحويل القياسات التماثلية لهذا الحساس إلى نبضات رقمية ومن ثم يمكن لعداد الـ plc من نوع logo أن يقوم بعد هذه النبضات لحساب القياس المطلوب .
فعلى سبيل المثال إذا تم ضبط الحساس بحيث يكون كل 50 نبضة في الثانية مكافئة لـ 50 سم فيمكن لجهاز الـ plc أن يظهر قياس المسافة بشكل دقيق عن طريق عد النبضات .

7-- Compact range III هذه الحساسات يمكن معايرتها يدوياً أو عن طريق برنامج SonProg كما في حالة Compact 2 ومنها ما هو بتماس مفتوح أو مغلق أو خرجين تشابهيين مداهما ( 0 – 20 mAmp ) أو (0 – 10 Volt Dc)
يعمل الحساس بجهد 20 – 30 Volt Dc ويشغل أحمال 300 mAmp ويمكن مزامنة هذه الحساسات لمنع التداخل عند استخدام حساسات متعددة وبمسافات قريبة من بعضها , إضافة إلى ذلك يملك هذا الحساس خاصية حسابية وهذه الخاصية تستخدم لتحسس مستوى سائل مثلاً حيث يمكن أن تحدث تغيرات في القياس ناتجة عن اهتزاز سطح السائل حيث تقوم هذه الخاصية بتعويض أو تقليل أثر هذه التغيرات.

وتبعاً لنوع الحساس يتراوح مجال التحسس:
6—30 cm , 20 – 120 cm , 40 – 300 cm , 60 – 600 cm , 80 – 1000 cm
معدل فصل – وصل يتراوح 0.5 – 5 Hz
وهذا النوع مزود بخاصية إخماد البعيد والقريب .

8 -- Compact range M 18: إن الحجم الصغير لهذا الحساس ( M18 * 101 mm ) يجعله ملائماً للتطبيقات التي يكون فيها المسافات الصغيرة .

تتوفر هذه الحساسات بتماس مفتوح أو مغلق طبيعياً أو بخرج تماثلي
4 – 20 m Amp , 0 – 20 m Amp , 0 – 10 Volt Dc
يعمل الحساس على جهد 20 – 30 Volt Dc ويغذي أحمالاً حتى
mAmp 100, تبعاً لنوع الحساس يتراوح مجال التحسس 5 – 30 cm
15 – 100 cm وتردد وصل- فصل 4 – 5 Hz ومزود بميزة إخماد البعيد.

9 – Modular Rang and the Signal Evaluator: المجموعة الثانية من حساسات Simens هي من نوع Modular Rang II التي تتألف من الحساس مع مقيم الاشارة.
و يتطلب هذا النوع مقيم للاشارة لظبط القيم الخاصة بالحساس حيث يتم الاظهار على شاشة LCD ذات سطرين.